激光熔覆镍包石墨涂层技术在微球微电极井径组合测井仪上的应用

孙东利 赵广平 朱 铁 幸奠琼

（大庆油田钻探工程公司测井公司 黑龙江 大庆）

0 引言

大庆油田测井作业使用的微球微电极井径组合测井仪经过多年的使用，工作性能稳定、测井曲线良好、故障率较低，是一款可靠性较高、性价比良好的测井仪器。但随着初批仪器的使用寿命已经过半（投产到达5年以上，年测井数100口以上），其测量品质开始下降。同时仪修人员在该仪器检修过程中发现一些不足，电位器使用寿命短，电位器换装工作量大、维修时间长等。

1 现有微球微电极井径组合测井仪

1.1 生产、检修过程中的问题

1）电位器使用寿命下降

随着投产仪器的长时间、高工作量使用，发现电位器的使用寿命随着仪器投产时间的增长而有所下降，经检修发现电位器所在的硅油保护舱的污染问题严重导致电位器使用寿命下降，究其原因判断弹簧盒活塞杆通孔磨损大是该问题的根源所在。

2）更换电位器过程繁琐、工作量较大

在对该仪器的维修中，如更换电位器时需要将仪器弹簧盒前端所有舱室全部拆卸后方可更换电位器，同时更换电位器后调试仪器还需将各部分全部安装回原位，如遇到调试问题，需再将所有部件拆卸进行二次调试。这些导致更换电位器维修过程繁琐、工作量较大、维修时间长。

1.2 问题分析

1）弹簧盒活塞杆通孔问题分析

（1）现有弹簧盒的活塞杆通孔与弹簧盒主体钢性连接，一旦其磨损只能通过替换整个主体来解决，替换成本较高，工作量大。

（2）现有弹簧盒主体材料TC4合金，其机械、化学性能优良，非常适合弹簧盒的功能技术要求，但TC4合金的抗磨损能力在弹簧盒的技术功能要求上不是尽善尽美（活塞杆通孔在作业中与活塞杆高负荷滑动摩擦），使其在本身使用寿命上不能再度提高。

2）弹簧盒材料工艺革新

针对TC4合金材料自身无法再提高耐磨性的客观条件，技术人员另辟蹊径，使用新的工艺技术（TC4合金表面激光熔覆镍包石墨涂层），经实验后发现，改进工艺后材料性能完全满足功能要求。经处理后的TC4合金材料，其基体在仍然保持原有良好的机械、化学性能（结构强度、抗化学腐蚀能力等）的基础上，涂层与原表面比较，其刚度、强度、硬度、耐磨性都大幅度提高。

2 激光熔覆镍包石墨涂层技术简介

2.1 激光熔覆技术

自20世纪70年代中叶大功率激光器问世并投入工业使用以来，激光技术得到了迅速发展，为材料表面改性技术提供了一种新的有效手段。激光熔覆技术是指以不同的添料方式在被涂覆基体表面上放置选择的涂层材料经激光辐照使之和基底表面一薄层同时融化，并快速凝固后形成稀释度极低、与基底材料成冶金结合的表面涂层，从而显著改善基底材料表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电气特性等的工艺方法。其工艺方式如图1所示。

图1 预涂式激光熔覆工艺简图

2.2 镍包石墨涂层的材料组成

镍包石墨粉的化学成分为80%Ni和20%C。镍包石墨粉末的尺寸范围为40m～100m，形貌和X射线衍射图谱如图2和图3所示。

图2 镍包石墨粉末的形貌照片

图3 镍包石墨粉末颗粒金相照片

2.3 镍包石墨涂层的金相分析、磨损机理

图4中给出了TC4合金表面激光熔覆镍包石墨图层层深方向的限位硬度分布曲线。可见，激光熔覆表面沿层深方向的硬度分布显示三个区域，分别对应熔覆区（CZ）、结合区（BZ）、和基底热影响区（HAZ）。熔覆区的显微硬度在HV1000～HV1050之间；结合区尺寸较小，硬度值在HV700～HV900之间；基底热影响区沿涂层层深方向的长度大约为0.4mm～0.9mm之间，由于形成了马氏体组织，硬度在HV380～HV420之间，比TC4基底材料硬度（HV330～HV340）有所提高。由数据对比可以看出，硬度由熔覆区到热影响区呈阶梯状降低，激光熔覆区的硬度比钛合金基体硬度（HV320～HV340）提高到2～3倍。这是由于镍包石墨熔覆区中原位反应生成的大量的碳化物增强所致，导致涂层硬度提高。

镍包石墨激光涂层的组织由Ni4Ti3、Ti、TiC、和Ni3（AlTi）等相组成，形成以Ti为基体，以NI4Ti3、TiC和Ni3（AlTi）等为增强相的钛基复合材料涂层。

图4 镍包石墨激光涂层显微硬度沿层深方向分布曲线

2.4 镍包石墨涂层与TC4的耐磨损能力对比结论

图5示出在滑动距离为100m条件下，TC4合金和镍包石墨喷涂层两种材料的摩擦系数和滑动距离的关系曲线，由图可以看出，在起始阶段摩擦系数较小，随着磨损的进行，摩擦系数逐渐增大，经过一段预磨期后，曲线逐渐平稳。这是由于在摩擦初始阶段，TC4合金的表面粗糙度很小，因而摩擦系数较小。随着磨损的进行，两个对磨面的粗糙度逐渐加大，摩擦系数随之增大。经过一定阶段的预磨期后，两个对磨面的粗糙度不再增大，摩擦进入一个稳定阶段，摩擦系数波动很小。由于镍包石墨涂层中含有石墨颗粒，它使两个对磨面始终处于稳定摩擦状态。

图5 TC4合金和激光涂层摩擦系数与滑动距离的关系曲线

在稳定磨损阶段，TC4合金与镍包石墨喷涂层的平均摩擦系数分别为0.53左右和0.28左右，后者约为前者的1/2。经过100 m滑动距离后，TC4合金的磨损量为11.5 mg，镍包石墨喷涂层的磨损量为1.8 mg，后者约为前者的1/6。镍包石墨喷涂层的摩擦系数和磨损量均大大小于TC4合金。

3 结论

通过对新工艺技术的使用，与仪器原有结构的优化设计，经试验证明改进技术解决了微球微电极井径组合测井仪在生产中暴露出的问题，有效地提高了测井作业效率，减少了维修时间，降低了劳动强度，延长了仪器的使用寿命，提升了仪器的维护效费比。

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